基于嵌入式Linux的SOHO路由器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前SOHO路由器設(shè)計(jì)方案難以滿足高速接入網(wǎng)用戶要求和存在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的不足,以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),提出一種新的 SOHO(Small Office and Home Office)路由器設(shè)計(jì)方案,有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

0 引言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量正以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。研究表明，IPv4 地址空間將在2011 年前耗盡，因此IPv4 地址資源非常緊缺。SOHO 路由器利用私有網(wǎng)絡(luò)IP 地址有效地緩解目前 IP 地址短缺的危機(jī)，為公司、家庭等小型局域網(wǎng)提供高效、廉價(jià)的共享上網(wǎng)方案。當(dāng)前SOHO 路由器設(shè)計(jì)，采用

ARM7TDMI+μClinux 設(shè)計(jì)架構(gòu)，ARM7 內(nèi)核微處理器工作頻率為50M 左右，而以太網(wǎng)控制芯片工作頻率一般為100M，處理器速度難以滿足高速接入網(wǎng)用戶要求；μClinux 操作系統(tǒng)，不具有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，任何程序都有可能導(dǎo)致內(nèi)核崩潰，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。本文采用ARM920T 內(nèi)核微處理器，工作頻率200M，足以滿足高速接入網(wǎng)用戶要求，它具有先進(jìn)的MMU 體系結(jié)構(gòu)，支持WinCE、EPOC32、Linux 操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)，具有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)控制功能，能防止惡意程序?qū)ο到y(tǒng)的破壞并實(shí)現(xiàn)*濾防火墻，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1 SOHO 路由器原理

路由器有位于網(wǎng)絡(luò)中心的核心路由器、連接企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)路由器以及把家庭或小單位用戶接入網(wǎng)絡(luò)的 SOHO 路由器。SOHO 路由器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)配置和基本數(shù)據(jù)包路由、過濾功能。從嚴(yán)格意義上來(lái)講，SOHO 路由器并不能完全稱之為路由器，它只實(shí)現(xiàn)部分傳統(tǒng)路由器的功能。SOHO 路由器采用NAT(Network Address Translation)轉(zhuǎn)換技術(shù)，把局域網(wǎng)內(nèi)部私用有IP 地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)合法的公網(wǎng)IP 地址，使私有網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)主機(jī)共享一個(gè)合法的 IP 地址訪問因特網(wǎng)。

本文利用 Linux 內(nèi)核支持IP Masquerade（IP 偽裝）技術(shù)實(shí)現(xiàn)NAT 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)主機(jī)共享訪問因特網(wǎng)。IP Masquerade 工作原理：客戶機(jī)將實(shí)現(xiàn)IP Masquerade 的Linux 機(jī)器設(shè)置為缺省網(wǎng)關(guān)，當(dāng)IP Masquerade 的Linux 機(jī)器收到客戶機(jī)的數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)其進(jìn)行改寫，將源地址替換為自己的IP 地址，將源端口號(hào)換成一個(gè)新的端口號(hào)，并且對(duì)該過程進(jìn)行記錄；當(dāng)接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包時(shí)，如果其端口號(hào)正是先前所指定的端口號(hào)則再對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行改寫，將其目的IP 地址及目的端口號(hào)替換為原來(lái)記錄的客戶機(jī)IP 地址和端口號(hào)，然后再發(fā)送給客戶機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以 S3C2410X 微處理器為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)控制器、交換控制器、配以必要的調(diào)試接口、電源電路和時(shí)鐘發(fā)生電路構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

(1) 微處理器與存儲(chǔ)系統(tǒng)

S3C2410X 是SAMSUNG 公司開發(fā)的一款低價(jià)、低功耗、高性能應(yīng)用于PDA、Internet設(shè)備的微處理器，工作頻率200M，能滿足高速處理要求。系統(tǒng)擴(kuò)展了1 片64MB NANDF1ash 芯片和2 片SDRAM 芯片，NAND F1ash 芯片中存儲(chǔ)Bootloader 引導(dǎo)程序和Linux 內(nèi)核，系統(tǒng)上電復(fù)位后從中執(zhí)行初始化代碼。

(2) 以太網(wǎng)控制芯片

DM9000 是一款高性價(jià)比以太網(wǎng)控制芯片，具有通用處理接口以太網(wǎng)MAC 控制器，能與10Base-T 的UTP3/4/5 和100Base-T 的UTP5 接口連接，滿足高速接入網(wǎng)要求，也支持通過MII 接口與其它MII 接口的收發(fā)器互聯(lián)。

(3) 交換控制芯片

RTL8305S 是臺(tái)灣瑞昱公司最新設(shè)計(jì)的5 端口10/100Mbps 高速以太網(wǎng)絡(luò)交換控制芯片，五個(gè)端口分成三個(gè)組(X 組，Y 組，第五端口)，可通過相關(guān)引腳靈活配置；集成了5個(gè)MAC（媒體存取控制器）、5 個(gè)實(shí)體層收發(fā)器、1M SRAM 和1K MAC 地址記憶區(qū)，有效地減少查表時(shí)間和轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間，適用于高速局域網(wǎng)交換器；每一個(gè)端口均可支持100Mbps

的100BASE-TX 高速以太網(wǎng)傳輸或10Mbps 的10BASE-T 的以太網(wǎng)傳輸。

(4) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

S3C2410X 微處理器通過系統(tǒng)總線連接FLASH和SDRAM構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后，微處理器從FLASH 中讀取初始化程序，SDRAM 為程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)提供臨時(shí)存

儲(chǔ)空間。以太網(wǎng)控制芯片DM9000，經(jīng)單端口隔離變壓器和RJ45 接口與互聯(lián)網(wǎng)相連。DM9000 通過MII(獨(dú)立媒體接口)與交換控制芯片RTL8305SC 的PORT4 口相連，RTL8305SC 經(jīng)過4 端口隔離變壓器和四個(gè)RJ-45 接口連接局域網(wǎng)集線器，交換機(jī)或電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通過微處理器控制與廣域網(wǎng)連接。